平板載荷試驗測定地基承載力方法的評價

0  引言

在巖土工程勘察中,原位測試是十分重要的手段,在探測地層分布,測定巖土特性,確定地基承載力方面,有突出的優點,原位測試結果的應用,應以地區經驗的積累為依據。一般認為,現場平板載荷試驗是取得基礎土壤工程力學特性的最好、最直接的方法 。國內外工程設計人員在此方面已作了大量的試驗研究工作，如美國的卡爾·太沙基、俄羅 斯的普列斯·崔托維奇、我國的原冶金部等都對靜力載荷試驗作了大量研究，后者還制定了 試驗規程。但由于各地地質情況不同，結構物的類型、尺寸不同，故所用承壓板的大小不同 ，試驗結果也就不盡相同。

1  平板載荷試驗

平板載荷試驗是模擬建筑物基礎地基土受荷條件的一種測試方法。在保持地基土的天然狀態下，在一定面積的承壓板上向地基土逐級施加荷載，并觀測每級荷載下地基土的變形特性。測試所反映的是承壓板以下大約1.5～2倍承壓板寬深度內土層的應力--應變關系，比較直觀地反映地基土的變形特性。用以評定地基土的承載力，計算地基土的變形模量并預估建筑基礎的沉降量。

1．1 試驗準備

平板載荷試驗通常在試坑中進行。試坑底的寬度應不小于承壓板寬度(或直徑)的3倍，以消除側向土自重引起的超載影響。

為了保持測試時地基土的天然濕度與原狀結構，在坑底頂留20--30cm厚的原土層，試驗前再挖去，并在坑底鋪設2 cm厚的砂墊層，放入載荷板。

1．2試驗設備

(1)承壓板

承壓板要有足夠的剛度，一般為特制厚鋼板。在加荷過程中要求承壓板變形小，而且中心和邊緣不能產生彎曲和翹起。承壓板為板厚2cm、邊長1.0 m的方形鋼板。

(2)加荷裝置

加荷裝置包括油壓千斤頂、荷重傳感器、載荷平臺。加荷方式為堆載法。堆載法是在載荷平臺(如鋼梁)上放置預制混凝土塊（0.8m×1.0m×2.0m）；此法笨重，勞動強度大，加荷不便，其優點是荷載穩定。

采用油壓千斤頂加壓，必須注意以下問題：

①千斤頂及襯墊物必須保持垂直，以免加壓時千斤頂傾倒發生事故并影響測試數據的準確性。

②用千斤頂加荷時，啟動杠桿要輕抬慢壓，以免對地基造成脈沖荷載，增大沉降量。

③接近儀表最大行程時，一般在該級荷載沉降達到穩定標準后，施加下一級荷載前將儀表調至0并記錄。

④隨時注意鋼梁有無頂起、傾斜等不安全因素，否則需及時采取措施，必要時可終止試驗以策安全。

(3)沉降觀測裝置

沉降觀測儀表為百分表。

1．3設備安裝

(1)承壓板

承壓板底高程與基礎底面設計高程應相同，承壓板下鋪設1--2 cm厚中粗砂找平，保證承壓板與試驗面平整均勻接觸。

(2)千斤頂

安裝千斤頂、載荷平臺或反力構架時，其中心應與承壓板中心一致。

(3)沉降觀測裝置

百分表由磁力表座固定在基準梁上，基準梁兩端由基準樁固定，基準樁距荷載板邊大于1 m。其支架固定點設在不受變形影響的位置上，沉降觀測點應對稱放置。

圖1  平板載荷試驗設備安裝示意圖

1．4試驗方法

試驗采用慢速維持荷載法。由載荷平臺及預制混凝土塊組成反力系統。通過反力系統，由液壓油泵及千斤頂施加荷載至承壓板，對地基施加豎向壓力。荷載逐級加在樁頂上，放置在千斤頂上的荷重傳感器時刻顯示承壓板所受荷載大小。地基產生變形沉降時，通過放置在承壓板上對稱分布的百分表，隨時記錄各級荷載作用下地基的沉降量。

(1)荷載分級

加荷等級不小于8級，第一級為2倍的加荷量，以后逐級加荷，總加荷量不小于設計要求的2倍。

(2)變形觀測

每加一級荷載的前后，各測讀承壓板沉降量1次。加荷后的第1 h內，按間隔10 rain、10 min、10 min、15min、15 min觀測，以后每0.5 h測讀1次；當1 h的沉降量小于0.10 mm，達到相對穩定標準時，即可加下一級荷載。

(3)終止加載條件

當出現下列現象之一時，即可終止加載：

①載荷板周圍的土被擠出隆起或出現明顯的裂縫。

②沉降急劇增大，荷載一沉降(P—S)曲線出現陡降段。

③在某級荷載作用下，24 h沉降速率不能達到穩定標準。

④達不到極限荷載，但最大加載已大于地基承載力設計值的2倍。

⑤總沉降量大于等于承壓板寬度(或直徑)的0．06。

2平板載荷試驗成果的應用

2.1  P--S關系曲線修正

首先，應對載荷測試的原始數據進行檢查和校對，整理出荷載與沉降量匯總表，繪制荷載P與沉降量s 的關系曲線。在載荷試驗中，由于各種因素的影響，會使P--S曲線偏離坐標原點。這時，應對P--S關系曲線加以校正，也就是校正沉降量觀測值。

2.2  P--S關系曲線分析及承載力特征值的確定

地基受壓破壞形式通常為整體剪切破壞，P--S曲線具有兩個明顯特征點。P--S曲線的特征點是決定地基承載力的重要參數，這兩個特征點可以把P--S曲線分為3段，分別反映了地基土逐級受壓以至破壞的3個變形階段。

直線變形壓密階段：此階段中土體顆粒主要產生豎向位移，地基土所受壓力較小，主要以壓密變形或彈性變形為主，變形較小，處于穩定狀態，P—S關系接近線性關系。直線段端點所對應的壓力即為比例界限，可作為地基土的承載力特征值。

局部剪切變形或塑性變形階段：此階段中土體顆粒有側向位移。當壓力繼續增大超過比例界限時，在承壓板邊緣，土體出現剪切破裂或稱塑性破壞，實際進入了屈服狀態；隨著壓力繼續增大，剪切破裂區不斷向縱深發展，此段P—S關系呈曲線形狀，曲線末端所對應的壓力即為極限界限，可作為地基土極限承載力。當極限荷載值小于比例界限荷載值的2倍時，可取極限荷載值的一半，作為地基土承載力特征值。

整體剪切破壞階段：如果壓力繼續增加，承壓板會急劇下沉。即使壓力不再增加，承壓板仍會不斷急劇下沉，說明地基發生了整體剪切破壞。

2.3 地基土變形模量計算

由載荷試驗成果P--S曲線的直線變形段，依據公式(1)，計算地基土的變形模量。

E0= ωPb(1-μ2 )／S       （1）

式中 E0——地基土變形模量（無側限）；

ω-—與承壓板形狀有關的參數，方形板取0.886，圓形板取0.785；

P——P-S曲線的直線變形段承壓板下的單位面積的壓力；

S——與P對應的沉降量；

b——承壓板直徑或邊長／mm；

μ—土的泊松比（粘土取0.42，粉質粘土取0.38，粉土取0.35，砂土取0.30，碎石土取0.27）。

3工程實例

實例1：濰坊建筑節能孵化器主樓21層，長56米，寬18米，單位荷重350 kPa，兩層地下室，基礎埋深±0下8.2米（基底標高28.70m）。該工程在勘察初期，根據濰坊地區經驗擬采用樁基礎，但在勘察過程中，我們發現第③層灰黃色粉土分布均勻穩定，力學性質較好，強度高，有一定的厚度，且其埋深與基底位置相吻合，于是考慮采用筏板基礎方案，又對該層土做了淺層平板載荷試驗，取得更準確的地基土承載力?，F場載荷試驗求得地基土承載力基本值為390 kPa。

按照《建筑地基基礎設計規范》（GB50007-2002）當基礎寬度大于3m或埋置深度大于0.5m時，地基承載力的特征值按下式修正：

fa=fak+ηbγ(b-3)+ ηdγm(d-0.5)

=390+0.5×18.5×(6-3)+2.0×18.5×(2-0.5)=473kPa>350kPa

式中：fa—修正的地基承載力特征值；

fak—地基承載力特征值；

ηb、ηd—基礎寬度和埋深的地基承載力修正系數；

γ—基礎地面以下土的重度，地下水位以下取浮重度；

b—基礎地面寬度（m），當寬度小于3m時按3m取值，大于6m時，按6m取值；

γm—基礎地面以上土的加權平均重度，地下水位以下取浮重度；

d（m）—基礎埋置深度,考慮周邊地下車庫取2m。

地基土承載力完全滿足設計要求。

實例2：濰坊瑞都廣場7號樓30層，長56.8米，寬16.8米，單位荷重500 kPa，一層地下室，基礎埋深6.2米。在勘察過程中，我們發現第③層粉砂分布均勻穩定，原位測試標準貫入錘擊數較高，力學性質較好，強度高，有一定的厚度，且其埋深與基底位置相吻合，對該層土做了淺層平板載荷試驗，取得更準確的地基土承載力?，F場載荷試驗求得地基土承載力基本值為400 -420kPa。

按照《建筑地基基礎設計規范》（GB50007-2002）當基礎寬度大于3m或埋置深度大于0.5m時，地基承載力的特征值按下式修正：

fa=fak+ηbγ(b-3)+ ηdγm(d-0.5)

=400+2.0×19.3×(6-3)+3.0×18.7×(2.0-0.5)=600kPa>500kPa

式中：fa—修正的地基承載力特征值；

fak—地基承載力特征值；

ηb、ηd—基礎寬度和埋深的地基承載力修正系數；

γ—基礎地面以下土的重度，地下水位以下取浮重度；

b—基礎地面寬度（m），當寬度小于3m時按3m取值，大于6m時，按6m取值；

γm—基礎地面以上土的加權平均重度，地下水位以下取浮重度；

d（m）—基礎埋置深度,考慮周邊地下車庫取2.0m。

地基土承載力完全滿足設計要求。

4 結束語

對于以上兩個工程平板載荷試驗布置的載荷試驗點均為3個，規范要求是不少于3個，試驗點數少，增加了試驗的隨機性和偶然性。目前確定天然地基土承載力的常規方法主要有：①根據土的抗剪強度指標由理論公式計算；②據有關試驗數據查表；③平板載荷試驗；④借鑒已有建筑的經驗。必要時也可綜合運用上述幾種方法加以確定。在實際應用中，平板靜荷載試驗具有直觀、可靠等優點。對于成分和結構較復雜的土層或非均勻土層。如雜填土、壓實填土、風化巖等。其可靠性要高于其它方法。對天然地基采用平板荷載試驗，并結合巖土鉆探資料并借鑒已有設計和施工經驗，來綜合確定擬建場地的天然地基承載力，才能更好地保證地基強度具有一定的安全儲備和滿足上部結構、基礎與地基共同作用的變形協調要求。